Technique d équilibrage

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1 Technique d équilibrage

2 Springer Paris Berlin Heidelberg New York Hong Kong Londres Milan Tokyo

3 Hatto Schneider Technique d équilibrage Traduction de la 6 e édition allemande

4 Hatto Schneider Rotor Balancing Consulting Im Kantelacker Heppenheim Allemagne Traduction Adelink - Daniel Gondouin Traduit de la 6 e édition allemande Auswuchttechnik by Hatto Schneider Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003 Springer est membre du groupe Springer Science + Business Media ISBN-10 : Springer Paris Berlin Heidelberg New York ISBN-13 : Springer Paris Berlin Heidelberg New York Springer-Verlag France, Paris 2006 Imprimé en France Cet ouvrage est soumis au copyright. Tous droits réservés, notamment la reproduction et la représentation, la traduction, la réimpression, l exposé, la reproduction des illustrations et des tableaux, la transmission par voie d enregistrement sonore ou visuel, la reproduction par microfilm ou tout autre moyen ainsi que la conservation des banques de données. La loi française sur le copyright du 9 septembre 1965 dans la version en vigueur n autorise une reproduction intégrale ou partielle que dans certains cas, et en principe moyennant le paiement des droits. Toute représentation, reproduction, contrefaçon ou conservation dans une banque de données par quelque procédé que ce soit est sanctionnée par la loi pénale sur le copyright. L utilisation dans cet ouvrage de désignations, dénominations commerciales, marques de fabrique, etc. même sans spécification ne signifie pas que ces termes soient libres de la législation sur les marques de fabrique et la protection des marques et qu ils puissent être utilisés par chacun. SPIN : Couverture : Jean-François Montmarché

5 Avant-propos Livre de référence depuis de nombreuses années dans le domaine, Auswuchttechnik, souvent qualifié de «bible de l équilibrage» méritait d être accessible au plus grand nombre en langue française. Écrit en langue allemande par un ancien collaborateur de la société, Schenck France se devait de prendre l initiative de cette édition en langue française afin de répondre aux attentes d un public toujours plus nombreux faisant confiance à notre marque. Professionnels de l industrie, de l automobile, de l aéronautique, spécialistes de la mécanique, experts de la prestation d équilibrage, enseignants et élèves des lycées et écoles techniques, c est en pensant à vous que nous avons décidé de réaliser ce livre. Vous trouverez dans Technique d équilibrage la synthèse des connaissances et des pratiques en matière d équilibrage ainsi que les principales références aux normes qui régissent ce domaine d activité, retracées de manière simple, accessibles et abondamment illustrées. Nous tenons ici à remercier tout particulièrement quelques personnes ayant joué un rôle clé dans la réalisation de ce projet. Tout d abord, M. Franck Descours, Directeur de l activité Schenck RoTec en France, qui, par son expertise des métiers de l équilibrage, sa connaissance de la langue allemande et son implication personnelle, a apporté son aide à la validation technique de la traduction. Mes remerciements vont également à M. Didier Hans, Directeur Commercial de Schenck RoTec et à M. Alain Boidin, Directeur Après-Vente de Schenck RoTec qui l ont épaulé à chaque étape de cette réalisation. Sans eux et sans leur dévouement, ce projet n aurait pu voir le jour. L ensemble des équipes de Schenck en France se joint à moi pour vous souhaiter une lecture à la fois riche et plaisante. Bruno Braure Schenck France Président

6 II Préface Préface à la 6 e édition allemande Deux ans après la 5 e édition, qui avait été totalement remaniée, voici l édition suivante de l ouvrage Technique d équilibrage. Seuls deux chapitres ont été profondément modifiés : dans la 5 e édition nous avions déjà signalé que les normes pour la protection sur les machines à équilibrer devaient être révisées en raison des nouvelles évolutions. Depuis, la nouvelle édition de la norme ISO 7475 a été publiée. Le chapitre 15 «Protection lors de l équilibrage» a été mis à jour ; certains termes et définitions de la technique d équilibrage ont été discutés au niveau international et modifiés dans la nouvelle édition de la norme ISO Même si l unanimité n a pas encore été trouvée, le chapitre 17.2 a été modifié en conséquence : il précise certaines contradictions et les améliorations envisageables de la norme actuelle. Des modifications ont été effectuées avant tout dans les domaines Balourd (17.2.3) et Rotors Flexibles (17.2.6). La préface de la 5 e édition est reproduite sans modification. Heppenheim, décembre 2002 Hatto Schneider Préface à la 5 e édition Les premiers rotors, notamment les moulins à vent ou à eau, ont vraisemblablement été équilibrés dès l Antiquité. C est à partir du début de l ère industrielle, au XIX e siècle, puis au XX e siècle que cette activité est devenue vraiment intéressante, lorsque de nouveaux types importants de balourds ont été découverts. Pratiquement tout ce qui tourne ou qui est monté sur des paliers est aujourd hui équilibré. La gamme des rotors va de l induit d un modèle réduit de chemin de fer au générateur d une centrale électrique, du disque dur d un ordinateur aux satellites de communication, du sèche-cheveux aux réacteurs d avions. Le développement de ces machines s accélère encore au début de ce nouveau millénaire, avec des concepts inédits, des matériaux, des traitements et des séries encore plus grandes. Les exigences envers la technique d équilibrage sont donc de plus en plus grandes, aussi bien en théorie qu en pratique. Les connaissances du contexte et

7 VIII Technique d équilibrage des activités connexes à ce domaine spécifique augmentent donc en conséquence. L ouvrage Technique d équilibrage a été publié pour la première fois il y a trente ans chez VDI Verlag, et à été réédité plusieurs fois. Il a été bien accueilli dans le monde entier, et a été notamment traduit en anglais et en chinois. La 5 e édition a été prise en charge par Springer-Verlag en coopération avec la VDI. Elle a été profondément remaniée et décrit l état des connaissances, tel qu il apparaît aujourd hui dans les normes et directives ISO, DIN ISO et VDI. En de nombreux points, nous mentionnons ou expliquons des aspects complémentaires, en effectuant par exemple une description exhaustive du balourd des rotors, depuis l état rigide jusqu à l état flexible. Certains de ses aspects demanderont encore plusieurs années pour arriver à maturité dans une norme ou directive. Cet ouvrage veut permettre une découverte systématique de ce domaine spécifique, aussi bien pour un étudiant que pour un professionnel. C est avec cet objectif qu il a été réorganisé, et illustré de schémas, d illustrations et de tableaux actuels. Il peut également servir d ouvrage de consultation pour les personnes expérimentées dans la construction, l acquisition de machines, la préparation des travaux, la production, le développement et la recherche. En ce sens, l indice a été détaillé et les références croisées dans le texte sont moins nombreuses. L équilibrage d un rotor impose certaines opérations spécifiques, qui varient suivant la fonction, la construction, le processus de fabrication choisi, le nombre de pièces prévu, les directives de réception, les conditions ultérieures de service, etc. C est pourquoi l équilibrage prend constamment de nouvelles formes, ce qui rend cette petite étape du processus de production si intéressante, voire la transforme en un véritable défi de technique et d organisation. La diversité du problème apparaît clairement lorsque l on pense que le coût par pièce peut aller de quelques centimes à plusieurs milliers d euros dans certains cas. La recherche d une solution optimale pour cette opération complexe ne s appuie pas sur quelques recettes, mais sur une connaissance solide des bases théoriques de l équilibrage, de son exécution pratique et de la performance des différents systèmes d équilibrage. J espère que cet ouvrage sera un fidèle compagnon pour tous ceux qui affrontent en permanence de nouveaux problèmes d équilibrage dans leur activité quotidienne. Heppenheim, juin 2000 Hatto Schneider

8 Sommaire I Sommaire Avant-propos... V Préface à la 6 e édition allemande... VII 1 Introduction Développement de la technique d'équilibrage Normes et directives Principes physiques Grandeurs physiques Scalaires et vecteurs Addition Multiplication Système d unités Grandeurs fondamentales Grandeurs dérivées Lois physiques Équation fondamentale de la dynamique Gravitation Rotation Angle plan Vitesse angulaire Vitesse tangentielle Accélération angulaire Accélération tangentielle Couple d'entraînement Moment d'inertie Accélération radiale Force centrifuge Oscillations Oscillateur simple sous l'action de la force centrifuge Domaine sous-critique Domaine de résonance Domaine surcritique Degrés de liberté... 25

9 X Technique d équilibrage Raideur dynamique Théorie du rotor rigide Définitions et explications Balourd d'un rotor en forme de disque Balourd d'un rotor (cas général) Balourd statique Moment de balourd Balourd quasi statique Balourd dynamique Représentation d'un balourd Dernière approche Théorie du rotor flexible Rotor plastique Rotor à corps élastique Rotor à arbre élastique Rotor à arbre élastique idéal Influence de la rigidité des paliers Fréquence à l arrêt et vitesse critique Rotor à arbre élastique (cas général) Action des balourds sur les rotors à arbre élastique Balourds modaux Balourd modal équivalent Correction d'un rotor à arbre élastique Premier mode de flexion Deuxième mode de flexion Troisième mode de flexion Tolérances et évaluation du rotor rigide Critères d évaluation Masse du rotor et balourd résiduel admissible Vitesse de service et balourd résiduel admissible Détermination du balourd résiduel admissible Classes de qualité et groupes de rotors Détermination expérimentale Détermination à partir des forces admissibles aux paliers Répartition sur les plans de correction Rotors avec un plan de correction Rotor avec deux plans de correction Calcul du balourd résiduel Calcul de la qualité d'équilibrage atteinte Contrôle du balourd Tolérances et évaluation du rotor flexible Tolérances de balourd selon DIN ISO

10 Sommaire III XI 6.2 Proposition de l'auteur Représentation du balourd d'un rotor Limites de tolérance Distribution sur plusieurs balourds Différents déséquilibres Rotor équilibré Équilibrage en un plan Équilibrage en deux plans Équilibrage en plusieurs plans Proposition Vitesse nominale Évaluation d'un balourd Machine à équilibrer basse vitesse Machine ou installation à équilibrer haute vitesse Vibrations admissibles Balourds admissibles Au banc d'essai Sur site Vulnérabilité et sensibilité au déséquilibre des machines Classification des vulnérabilités des machines Domaines des sensibilités modales Courbes enveloppes Détermination expérimentale des sensibilités modales Procédures d'équilibrage des rotors rigides Corps sans arbre propre Balourds provoqués par le montage de prise de pièce Méthode d équilibrage par retournement Autres applications de la méthode Faux-arbres, adaptateurs Rotors assemblés Interchangeabilité des pièces Corrections des erreurs d assemblage Masses équivalentes (dummies) Rotors avec clavettes Arbre avec clavette entière Arbre avec demi-clavette Influence sur le balourd Mémorisation de l influence Mesures de compensation à la fabrication Procédures d'équilibrage des rotors flexibles Catégories de rotors Catégories de base des rotors à arbre élastique Principes d'équilibrage Rotor avec disques

11 XII Technique d équilibrage Rotor à disque unique Rotor à deux disques Rotor à plus de deux disques Rotor à tronçons rigides Rotor cylindrique Rotor intégral Combinaisons Cas de réparation Procédures d'équilibrage Procédure A : équilibrage en un plan Procédure B : équilibrage en deux plans Procédure C : équilibrage des différentes pièces avant le montage Procédure D : équilibrage après limitation du balourd initial Procédure E : équilibrage pas à pas pendant le montage Problème des transferts de balourds Solution Procédure F : équilibrage dans des plans optimaux Procédure G : équilibrage pour différentes vitesses Développement en série Comportement en réponse Rapport de correction Recommandation Assistance du calculateur Procédure H : équilibrage à la vitesse nominale Procédure I : équilibrage à une vitesse donnée Procédure pour un comportement plastique Description de l opération d'équilibrage Rotor avec arbre propre Description tabulaire du type de rotor Autres tableaux Données maximales Informations supplémentaires sur les rotors Rotor sans arbre propre Rotor à haute vitesse Machines à équilibrer Offre et documentation technique Machines à équilibrer horizontales Limites pour la masse du rotor et le balourd Efficacité du cycle de mesure Rapport de réduction du balourd Dimensions du rotor Portées de palier Domaine de réglage des plans de correction Entraînement

12 Sommaire XIII V Freinage Données supplémentaires Machines à équilibrer verticales Limites pour la masse du rotor et le balourd Dimensions du rotor Influence du moment de balourd Balances d équilibrage statique Machines à équilibrer haute vitesse Entraînement Supports de paliers Dispositif de mesure Détails techniques et leur évaluation Entraînement Moteur à rotor en court-circuit Moteur à bagues collectrices Moteur à courant continu Puissance de l'entraînement Entraînement par arbre de transmission à cardan Entraînement par courroie Entraînement par champ magnétique rotatif Entraînement propre Entraînement par air comprimé Systèmes d affichage Capteurs Frein Vitesse Étalonnage et réglage de l instrumentation de mesure Machines à équilibrer à paliers souples Machines à équilibrer à paliers rigides Fondations Plus petit balourd résiduel réalisable U QER Paliers Paliers à galets porteurs Paliers prismatiques Paliers lisses Paliers broche Paliers de service Paliers spécifiques Moment d'inertie, nombre de cycles Traitement de la mesure Rotors d'essai, masses d'essai Rotors d'essai Masses d'essai Surcharge Influences de l'environnement Rapport de réduction du balourd RRB Efficacité...158

13 XIV Technique d équilibrage 10.3 Conditions à réunir Contrôle des machines à équilibrer Statistiques concernant les balourds Dispersion circulaire des résultats Dispersion annulaire des résultats Caractéristiques de distributions normales uni- et bidimensionnelles Spécificités supplémentaires Contrôle systématique ou par échantillonnage Valeurs caractéristiques Rejets Rotors d'essai Rotors d'essai type A Rotors d'essai type B Rotors d'essai type C Conditions d'essai Essai du plus petit balourd résiduel réalisable U QER Conditions initiales Correction Tests avec masses d'essai Interprétation du test U QER Test U QER simplifié Test du rapport de réduction du balourd RRB Conditions initiales Tests avec masses d'essai Interprétation du test RRB Test RRB simplifié Test du taux d'interaction du moment de balourd ME Interprétation du test ME Test de la compensation par retournement Conditions initiales Tests avec masses d'essai Interprétation du test de la compensation par retournement Correction Types de correction Enlèvement de matière Déplacement de matière Ajout de matière Temps de correction Écarts de correction Masses de correction Plans de correction Rayons de correction Correction radiale

14 Sommaire VII XV Correction en périphérie Correction par écartement de deux masses de correction Angle des masses de correction Écarts acceptables lors de la correction Rapport de réduction du balourd Préparation et réalisation de l'équilibrage Causes des balourds Effets des balourds Directives de fabrication et indications sur les plans Étude de la correction Préparation de l opération Chargement et déchargement Préparation du rotor L'équilibrage dans le processus de fabrication Défauts lors de l'équilibrage Limitation de la qualité d'équilibrage par le rotor Défauts Types de défauts Défauts systématiques Défauts aléatoires Défauts scalaires Explications Pièces mobiles Liquides ou solides à l'intérieur de cavités Influences thermiques et effets de la gravité Écoulement de l'air Magnétisme Inclinaison de roulements à billes Montage incomplet Accouplement sur le rotor Jeu d'ajustement Glissement de pièces rapportées Balourd de l outillage Balourd dans l'élément d'entraînement Désalignement de l outillage Excentricité du palier d'équilibrage Défauts systématiques et aléatoires de la chaîne de mesure Estimation du défaut global Critères de réception Protection lors de l'équilibrage Dangers générés par le rotor Classes de protection Exemples de classes de protection

15 XVI Technique d équilibrage Classe de protection C Énergie surfacique spécifique Énergie absolue Impact Classe de protection C pour des machines à équilibrer universelles Conception de la protection Identification de la protection Responsabilités Équilibrage sur site Valeurs limites de vibrations Présentation du problème Théorie de l'équilibrage sur site Causes de balourds Problématique Méthode Correction en un plan Correction en deux plans Correction en plusieurs plans Pratique de l'équilibrage sur site Moyens de mesure Plans de mesure Conditions à réunir Annexe Symboles Termes et définitions Mécanique Systèmes de rotors Déséquilibre, balourd Équilibrage Machines à équilibrer et équipement Rotors flexibles Corps-libres rigides en rotation Outillages pour machine à équilibrer Données de calculs Multiples et sous-multiples décimaux Coefficients de conversion des unités SI en unités pouces/livres Nomogrammes, diagrammes Normes DIN ISO (2003) : Vibrations mécaniques Exigences en matière de qualité dans l équilibrage pour les rotors en état rigide (constant). Partie l (2005) : Spécifications et vérification des tolérances d équilibrage DIN ISO : Vibrations mécaniques Procédures et critères pour l'équilibrage mécanique de rotors flexibles

16 Sommaire XVII IX Bibliographie Source des illustrations Index